IBM, 120큐비트 Nighthawk R1 두 프로세서 4채널 초전도 연결…상태 전송 충실도 99% 달성

대형 프로세서 간 멀티채널 인터커넥트 첫 시연

IBM 토머스 J. 왓슨 연구소 연구팀은 Nighthawk R1 초전도 프로세서 두 대를 각 80cm 길이의 알루미늄 동축 케이블 4개로 연결했다. 연구팀은 이 구성을 대형 초전도 양자 프로세서 간 멀티채널 양자 인터커넥트의 최초 사례로 규정했다. 기존 실험들이 소수 큐비트 모듈과 단일 링크에 집중해 온 것과 달리, 이번 연구는 대형 칩 사이에 복수 채널을 동시에 운용했다는 점에서 차별화된다.

프로세서당 120큐비트를 탑재하고 있으나, 이번 실험에서 실제로 배선·측정한 것은 케이블 단에 인접한 일부 큐비트에 한정된다. 개발 속도를 우선해 측정 대상을 선별했으며, 나머지 큐비트의 활용은 향후 과제로 남겨뒀다.

전송 충실도와 프로세서 간 게이트 성능

4개 링크 모두 98.86% 이상의 상태 전송 충실도를 기록했으며, 최고 링크는 99.29%에 달했다. 연구팀은 네트워크 벤치마킹 기법으로 전송 과정 자체의 오류와 큐비트 준비·측정 단계의 오류를 분리해 분석했다.

프로세서 간 완전한 양자 연산을 위해 controlled-Z 게이트가 사용됐다. 이 게이트 연산은 상태 전송 2회, 로컬 2큐비트 게이트 3회, 단일 큐비트 제어 등 복합 절차를 거치기 때문에 오류가 누적된다. 그 결과 프로세서 간 게이트의 평균 충실도는 94.75%, 최고값은 96.42%로, 상태 전송 단독 성능에는 미치지 못했다.

칩 경계를 가로지르는 얽힘 생성

연구팀은 이 연결을 통해 서로 다른 프로세서에 걸친 얽힘 쌍을 생성했고, 인접한 두 링크를 활용해 얽힘 쌍 두 개를 동시에 만드는 데도 성공했다. 다만 동시 생성 시 한 쌍에서 충실도가 측정 가능한 수준으로 저하됐다.

4큐비트 분산 얽힘 상태는 77.23%, 6큐비트 상태는 67.67%의 충실도를 기록했다. 측정 오류에 대한 통계적 보정 후 각각 91.70%, 90.87%로 상승했으며, 연구팀은 보정 전 수치만으로도 두 상태가 진정한 다중 큐비트 얽힘을 확인하는 임계값을 넘어섰다고 밝혔다.

케이블 설계와 물리적 내구성

케이블은 프로세서 표면에 수직으로 부착되는 방식을 새로 채택했다. 기존 IBM 설계는 케이블-칩 연결부가 표면과 평행해 신뢰성과 고밀도 배선에 제약이 있었다. 새 방식은 두 모듈이 극저온 냉각 시스템에 장착된 상태에서 실온에 인듐-인듐 압착 본드로 결합되며, 스프링 방식 고정 장치를 통해 두 연결을 동시에 설치할 수 있다. 4개 링크 모두 냉각-가열 사이클 3회를 별도 조정 없이 통과했다. 다만 이번 실험에서 연결부를 분리 후 재결합하는 테스트는 수행하지 않았으며, 반복 재연결 성능은 별도 검증이 필요하다.

남은 과제: 자기 차폐와 큐비트 결맞음

연구팀의 오류 모델에 따르면 상태 전송 오류의 약 77%는 케이블과 전용 큐비트의 결맞음 시간 한계에서 비롯되며, 그중 가장 큰 비중은 위상 안정성 손실(디페이징)이다. 연구팀은 성능 향상에 기여하는 일부 제작 공정을 의도적으로 생략했으며, 결맞음을 개선하면 상태 전송 충실도가 99.68~99.77% 범위까지 오를 수 있다는 모델링 결과를 제시했다. 이는 측정된 수치가 아닌 조건부 예측치다.

알루미늄 케이블이 초전도 상태로 전환될 때 주변 자기장이 마이크로파 에너지 보존 능력을 저하시키는 현상도 확인됐다. 2겹 자기 차폐재를 추가했지만 연구팀 스스로 임시 해결책으로 규정했으며, 손실의 물리적 원인은 아직 완전히 규명되지 않았다. 충실도·차폐·양산성의 세 과제를 동시에 해결해야 모듈형 확장으로 나아갈 수 있다. 이 연구는 아직 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트 단계임을 유의해야 한다.